CN101218807B - 用于估计实时内容分发的客户端的输入缓冲器的填充率的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于在实时分发内容时检测客户端的输入缓冲器的下溢和上溢情况的解决方案。这种检测是在客户端的上游通过对该客户端的输入缓冲器的填充率的动态估计而执行的。按照这种方式，可以预测下溢或上溢情况的发生，以及可以设法采取措施，诸如存储视频序列的插入或者对等待分组的存储。

Description

用于估计实时内容分发的客户端的输入缓冲器的填充率的设备及方法
技术领域
本发明涉及将数字内容从服务器分发到客户端的领域。更具体地，本发明涉及在诸如IP网络之类的分发网络上的视频分发情况。 
背景技术
现在，普遍通过例如IP网络的分组交换分发网来分发诸如音乐或视频之类的数字内容。实际上，互联网的发展已经导致了这些技术的发展。 
经由IP网络将数字内容从服务器分发到消费者。这些网络的特征在于分组路由中的时间失真，以本领域的技术人员的行话通常称为“抖动”。这些网络还遭受到由于例如在服务器和消费者之间传送数据的中间网关上的拥塞所引起的分组丢失。分发内容的恢复对最大许可失真施加约束。 
为防止这些失真以及这些丢失，客户端通常集成了在其中存储接收分组的输入缓冲器。然后，由经由网络来自服务器的分组来填充这些缓冲器，而客户端在通过内容恢复消耗该数据之后清空这些缓冲器。为了正确的内容恢复，这些输入缓冲器既不能完全清空而导致缓冲器中的下溢，也不能完全填满而导致缓冲器的上溢。实际上，对于下溢，恢复将缺乏数据并且将被中断。而对于上溢，缓冲器将无法存储将要到达的分组，并由此造成数据丢失，并且在这里再次导致内容恢复的中断。 
根据由Subhabrata & A1 2000年3月在“IEEE transactionsmultimedia”所著述的题为“Online smoothing of VBR streaming video”的文献中，实现了一种流平滑技术，以防止设备的缓冲存储器的下溢或上溢。然而，此项技术并非是针对其中流传输时间控制不佳的网络中(具体在使用尽力而为技术的网络的情况下)的数据传输而最优化的。 
IP网络上的传输不提供等待时间和分组丢失方面的任何保证，只能确保不发生短缺或上溢的情况。在这种情况下，能够检测这些情况的发生、以便能够采取对于用户而言能够消除或至少限制这些问题的后果的对策是引人关注的。 
例如，在专利JP9298734中已知在设备本身的级别上来执行对设备的输入缓冲器填充率的监控。如果发生了下溢或上溢，则设备向服务器发送警报。所述服务器据此采取措施来解决所产生的问题。 
这种程序方法首先涉及客户端与服务器之间的对话。该对话引入了对问题的检测与对问题的识别之间的等待时间。此外，通常只有在从服务器到单个客户端执行内容的分发(单播分发)时，这种识别才是可能的。当服务器向多个客户端分发同一内容(多播分发)时，服务器不再能够采取自动使所有客户端去解决针对单个客户端所产生的问题的措施。 
发明内容
本发明提出了一种用于在实时分发内容时检测客户端的输入缓冲器的下溢和上溢情况的解决方案。这种检测是在客户端的上游通过对客户端的输入缓冲器的填充率的动态估计而执行的。按照这种方式，可以预测下溢或上溢情况的发生，以及可以设法采取措施，诸如存储视频序列的插入或者对等待分组的存储。 
发明涉及一种能够通过分组与内容分发网络相连的设备，该内容是以针对至少一个客户端的数字数据流的形式发送的，所述至少一个客户端具有输入缓冲器，在缓冲器中存储有在为了恢复该内容而对其进行解码之前所接收的数据，该设备具有用于在分发网络与连接到所述分发网络的所述至少一个客户端之间传送数据分组的装置，用于传送数据分组的这些装置传送针对客户端缓冲器的所有分组，该设备包括计算装置，用于根据所述客户端的至少一个参数来估计所述至少 一个客户端的输入缓冲器的填充率。例如，客户端的至少一个参数来自以下参数： 
-连接到分发网络的至少一个客户端的输入缓冲器的大小， 
-当至少一个客户端接收到数据流时在触发对该数据流的解码之前所存储的数据量， 
-至少一个客户端用以清空输入缓冲器的恢复比特率。 
为了防止该设备显示无用内容(例如，黑屏或固定图像)，根据本发明，该设备适于在所估计的输入缓冲器的填充率在阈值以下时向客户端发送内容置换序列。 
根据一个特定实施例，该设备还包括实时置换序列存储装置。 
根据一个特定实施例，该设备适于暂时存储针对客户端的数据分组，该客户端的输入缓冲器的填充率的估计在阈值以下。 
根据一个特定实施例，该设备适于在客户端的填充率的估计在阈值以下时发送警报消息。 
根据一个特定实施例，该设备适于在客户端的填充率的估计在阈值以上时发送警报消息。 
本发明还涉及一种用于通过监视设备来估计以数字数据流的形式发送的内容的解码设备(称为客户端)的输入缓冲器的填充率的方法，该监视设备能够通过分组交换与内容分发网络相连，该监视设备具有用于在分发网络与连接到所述分发网络的客户端之间传送数据分组的装置，用于传送数据分组的这些装置传送客户端与分发网络之间的所有数据分组，该方法包括步骤：根据输入缓冲器的大小、客户端在触发解码之前所存储的数据量、以及通过所述监视系统针对至少一个客户端所传送的数据分组来计算对至少一个客户端的输入缓冲器的填充率的估计。 
为了防止该设备显示无用内容，根据本发明，该方法包括用于在所估计的客户端的输入缓冲器的填充率在阈值以下时向客户端发送内容置换序列的发送操作。 
根据一个特定实施例，以常规方式执行对填充率的估计的计算。 
根据一个特定实施例，每次向客户端发送数据分组时，执行对填 充率的估计的计算。 
根据一个特定实施例，该方法还包括在填充率的估计在阈值以下时发送所存储序列的步骤。 
根据一个特定实施例，该方法还包括暂时存储针对客户端的数据分组的步骤，该客户端的输入缓冲器的填充率的估计在阈值以上。 
根据一个特定实施例，该方法还包括在客户端的填充率的估计在阈值以下时发送警报消息的步骤。 
根据一个特定实施例，该方法还包括在客户端的填充率的估计在阈值以上时发送警报消息的步骤。 
附图说明
通过阅读参考附图的以下描述，将更好地理解本发明，并且其它特定特征和优点将显现出来，在附图中： 
图1示出了根据本发明的实施例的内容分发架构。 
图2示出了突出了对实施例中的缓冲器的填充的预测的架构的细节。 
图3表示实现本发明的实施例的设备的硬件架构。 
具体实施方式
本发明涉及分组交换网络上的所有类型的实时数字内容分发。该实施例位于对诸如互联网或专用分发网络之类的IP网络上的视频分发的更加特定的框架内。 
反映本实施例的框架的架构的示例如图1所示。在该图中，可以看到进行实时数字内容分发的服务器(标记为1.1)。这些服务器与分发网络(标记为1.2)相连。当最后客户端(标记为1.4)通过ADSL技术(非对称数字用户线路)连接到分发网络时，本实施例位于该框架内。ADSL技术使客户端能够通过电话线以高比特率连接到分发网络。为此，电话交换配备有被称为DSLAM(数字用户线路访问多路复用器)(标记为1.3)的连接装备的项目。这些DSLAM与分发网络相连，它们共同使客户端处的ADSL调制解调器能够多路复用数字连 接和电话线路上的语音访问。按照这种方式，每个客户端通过DSLAM与内容分发网络相连。尽管本发明的实施例位于客户端对分发网络的ADSL访问的框架内，但是本发明不局限于此框架，并且以相同方式操作于客户端与分发网络之间的任意类型的连接。此外，本发明不必实现于DSLAM中，而是相反地，可以植入用于在分发网络(例如，互联网络或ADSL网络)与连接到该分发网络的至少一个客户端的缓冲存储器之间传送数据分组的任意设备中。有利地，设备与客户端的缓冲存储器之间的链接不会受到影响本缓冲存储器的填充率的干扰(具体为，抖动或分组丢失类型的干扰)。例如，这是到客户端或客户端所属的局域网入口点(例如，国内网络)的点到点链接。 
该服务器包含或者能够产生典型地为音频和视频服务的数字数据文件。这些文件以根据MPEG标准(运动图像专家组)编码的实时数据流的形式分发。根据此标准，将数据分成分组，然后通过网络将这些分组分发至客户端。针对发射机或发射机组，多播广播模式包括以多播传输模式来传输针对一组客户端的分组。在这种模式下，将分组发送至被称为多播广播地址的地址，并将分组路由至属于该多播组的所有接受者。加入多播组的客户端被认为是预订该组，以及离开该组的客户端被认为是从该组退订。 
实际上，多播广播用于在源向一组接受者发送数据时节省网络中的中间带宽，像广播实况电视服务的情况。实际上，在这种情况下，点到点传输模式的使用表示将数据发送与接受者数目相同的次数。这种模式导致对网络中为源与不同接受者之间的路径所共有的部分上的分组的复制。相反地，多播广播使得该数据仅被发送一次，根据通向属于多播组的接受者的路径，在网络的路由器上复制该数据。 
图2更明确地示出了在本发明的实施例中通过分发网络将来自服务器的视频流分发到客户端的操作。该图关注于在客户端和DSLAM级别所发生的事件。标记为2.4并从1至5编号的客户端与同一DSLAM(标记为2.3)相连。该图还示出了客户端3和4中标记为2.9和2.10的输入缓冲器。从服务器经由分发网络到达DSLAM上的标记为2.5的数据包括两个数据流。该分组中标为黑色的第一数据流(标 记为2.6)是针对客户端3的，而该分组中的第二数据流(标记为2.7)是针对客户端5的。因此，逻辑上，可以在客户端3的缓冲器2.9中找到黑色数据分组，以及可以在客户端5的缓冲器2.10中找到白色分组。除了管理客户端与网络之间的ADSL连接的作用以外，DSLAM 2.3还充当客户端与网络之间的第一级路由器。因此，分发网络与连接该分发网络的客户端之间的所有业务量都经过DSLAM 2.3。在向下方向上，DSLAM 2.3通过其与网络的接口接收网络的所有数据分组(实时及其它)，并将所有数据分组分发到接受客户端。在向上方向上，DSLAM 2.3接收由客户端所发送的所有分组，将通过网络转发所有分组。在本发明的实施例的框架内，DSLAM 2.3将包含标记为2.8的表，其功能将在下面进行描述。 
在实施例中，客户端典型地是数字电视解码器，但是客户端可以是能够恢复实时内容的任意设备，例如数字电视、数字hi-fi系统或其它系统。因此，这些客户端消耗缓冲器中的内容数据分组，以恢复该内容。消耗的速率由恢复速度设定。例如，MPEG标准提供了已知为PTS(表示时间标记)的时间戳，将时间戳有规律地插入一些数据分组中，该时间戳定义了关联数据必须存在的时刻，并因此由客户端来恢复关联数据。该关联数据典型地为针对视频的图像以及针对声音的声音采样。因此，关于内容的实时以及正确恢复需要注意这些PTS以及在预定时刻处显示数据。 
如果来自网络的数据分组没能足够快速地到达客户端的输入缓冲器，则所述客户端可以清空缓冲器并达到下溢情况。在这种情况下，客户端不再能够遵守实时约束，并且无法按照预定时间来恢复该数据，从而发生服务中断。如果该内容为视频，则根据客户端将对信息缺乏做出反应的方式，图像将消失并且用户将察觉到黑屏或图像的停止。对于这种情况，可能存在多个原因。这可能包括服务器受到过多要求而不再能够提供其数据。也可能包括网络减速造成的拥塞或甚至丢失一些数据分组。另一方面，输入缓冲器的上溢也可以发生。在这种情况下，数据分组将由无法存储数据分组的客户端接收。这些分组将丢失。然后，这些丢失的分组将通过数据的缺乏而导致服务的中断。例如，这些上溢可能源于对大量分组的分组接收或者源于服务器与客户端之间的不良同步。 
因此，对于用户所察觉到的服务质量，重要的是尽可能地避免这些下溢和上溢情况。一种已知的解决方案在于扩大分发网络以防止拥塞，并实现流动且尽可能小干扰的数据分组循环。这种解决方案容易产生成本的问题，并且不能用于所有情况。在更为适当地确定大小的网络上，不可能保证不发生下溢或上溢情况。在这种情况下，对这些情况的预测性检测可以触发警报。可以识别该警报，以启动限制与服务中断相联系的问题的行动。 
存在诸如在文献JP9298734中所描述的系统之类的系统，其中在客户端上实现对缓冲器的填充率的监视单元。在即将发生下溢或上溢时，客户端可以向服务器发送警报消息。然后，服务器适配其数据传输速率，以防止发生下溢或上溢。该解决方案提出了两个主要问题。一方面，涉及在客户端与服务器之间的网络上的消息交换。这些交换在服务器的反应中引入了等待时间，并由此在所进行的校正中引入了等待时间。另一方面，只有在由单个客户端的唯一目的地的服务器执行数据分发时，才可以实施源自服务器的适配的校正。 
本发明的实施例中所提出的解决方案在于对客户端的输入缓冲器的填充率的监视。这种监视是在网络中客户端的上游进行的。例如，可以在DSLAM的级别上执行监视。按照能够初始化这种监视的方式，DSLAM必须知道与哪个客户端相连、将要监视哪个客户端的缓冲器、其输入缓冲器的大小、以及解码器在开始解码之前将存储的数据量。可以通过客户端缓冲器的大小来设计客户端到DSLAM的通信以及初始存储量。存在用于执行这种通信的多种方式。在本发明实现于DSLAM的情况下，最简单的方法是将该传输集成到用于初始化该连接的消息的交换中。实际上，该连接是通过使用诸如PPPoE(Ethernet上的点到点协议)、PTP(点到点隧道协议)或甚至PPPoA(ATM上的点到点协议)之类的点到点链接协议，在客户端与DSLAM之间建立的。所有这些协议结合了初步参数协商阶段，可以将输入缓冲器的大小以及初始存储量添加到在该阶段期间交换的参数。 
还可以通过DSLAM提供向客户端请求信息的请求，或者甚至通过分发网络的管理员(因此也是DSLAM的管理员)在该DSLAM中的参数输入，或者使DSLAM能够获得该信息的任意其它方法，来进行。 
只要DSLAM具有关于客户端的缓冲器的大小以及在触发解码之前所存储的数据量的信息，则可以估计该解码器的输入缓冲器的填充率。实际上，由于DSLAM位于网络与客户端之间的最近链接的事实，DSLAM具有由客户端所接收的所有数据的知识。DSLAM知道解码速度，以及由此知道客户端对数据的消耗。该信息可以从流中推导出，或者可以作为客户端发送给DSLAM的参数的一部分。该信息取决于所发送的实时数据流的类型、其压缩率及其编码。该估计分两个阶段进行，最初不在客户端上开始解码。因此，缓冲器被DSLAM所发送的数据填充，而没有消耗数据。一旦所发送的数据量达到初始存储量，则在客户端上开始解码以及由此产生的数据消耗。然后进入第二阶段。在第二阶段中，DSLAM通过对发送到客户端的数据减去消耗掉的数据的计算来估计缓冲器的填充率。按照这种方式，DSLAM可以保持如图2中所示的标为2.8的表，其给出了针对所有客户端的输入缓冲器的填充率。因此，在图2中，使用表2.8，看到缓冲器3的输入缓冲器已经填充到了60％，而客户端5的输入缓冲器填充到了20％。客户端1、2和4不接收实时的内容流。因此，DSLAM可以在任意时刻处确定接收实时内容的客户端的输入缓冲器的填充率，并且这不涉及DSLAM与客户端之间的消息交换。必须定时地进行对缓冲器的填充率的估计的计算。该计算可以针对发送到客户端的每个分组而进行，或者以定时的方式进行。在第一阶段期间，缓冲器的填充率对应于发送到客户端的数据量。在第二阶段期间，该填充率对应于所发送的所有数据减去所消耗的数据。 
假设已经获得该知识，此时DSLAM可以知道客户端之一将在何时上溢或下溢。例如，可以设定触发警报的阈值。例如，可以将这些阈值设定为5％和95％，并在填充率小于5％或大于95％的时候触发警报。这些知识可以触发警报或校正行动。例如，本发明的一个实施例 提供了DSLAM包含预先记录或实时产生的视频序列，这些序列能够被存储在DSLAM中的存储器或盘(在图3中，标为3.23)上。在下溢的情况下，可以向客户端发送这种预先记录的序列的数据分组，代替针对正在接收的节目的丢失分组。因此，用户将察觉到他的节目中的中断，在此期间他将查看置换或替换序列，例如可以是节目声明、与所需内容的传输条件相关的特定消息、广告序列或人们可能希望对其可用的任意类型的序列。其影响将很可能没有“黑屏”或停止的图像那么负面。 
根据本发明的这种DSLAM的架构如图3所示。标记为3.20的监视设备包含：标记为3.21的处理器，能够执行处理操作；标记为3.22的工作存储器，用于存储诸如表2.8之类的数据；标记为3.23的存储器，能够作为磁盘，并根据本发明的特定实施例能够存储置换序列。该设备具有标记为3.24的接口，依靠标记为3.25的链接来将接口3.24连接到内容分发网络。在实施例中，此链接及此接口是ATM(异步传输模式)链接，但是这也可以是例如Ethernet Gigabit。另一方面，一连串(典型地为16个)线路接口模块(标记为3.27)中的每个都能够通过电话线建立与客户端的ADSL连接(标记为3.28)。这些模块(处理器、存储器、磁盘以及接口)通过标记为3.26的内部总线与分发网络进行通信。因此，分发网络与客户端之间的通信在链接3.25上混合，并且根据所涉及的客户端在链接3.28上分发。 
在上溢的情况下，可以假设DSLAM将所指定的客户端无法接收的数据存储在缓冲器中。当填充率降低时，将延迟发送该数据。 
还可以提供向客户端发送解释性消息。还可以提供发送至分发网络的监视系统的警报消息。按照这种方式，分发网络的管理员可以测量所提供的服务的质量，并解决在服务的分发中所出现的问题。可以保持关于服务分发事件的统计，以便以更好地方式来定出分发网络的大小。 
本发明的实施例描述了在本发明的DSLAM内的实施方式，但是所述发明可以在其它设备上实现，或者甚至可以在连接到与到达DSLAM的链接或者DSLAM与客户端之间的链接的设备上实现。在 网络内实现本发明的唯一必须条件是在某一点处观察到通过了针对客户端的目的地的所有数据，以便能够对所述客户端接收到的数据进行可靠估计。例如，本发明可以在连接到DSLAM的上行数据流链路的设备上实现，该设备用作分析链路上的业务量的传感器。同样地，本实施例存在于通过客户端的ADSL的连接的情况下，但是也可以不考虑连接模式来进行操作，并且例如可以在电缆连接的情况下在电缆终端上实现，或者在客户端与分发网络之间的无线连接的情况下在无线接入点上实现。 

Claims (12)

1.一种能够通过分组与内容分发网络(1.2)相连的设备(2.3)，所述内容是以针对至少一个客户端(2.4)的数字数据流的形式来发送的，所述至少一个客户端具有输入缓冲器(2.9，2.10)，该输入缓冲器存储有在解码以恢复所述内容之前接收到的数据，所述设备具有用于在内容分发网络(1.2)与连接到所述内容分发网络(1.2)的所述至少一个客户端(2.4)之间传送数据分组的装置(3.27)，用于传送数据分组的所述装置传送针对所述客户端的缓冲器的所有分组，所述设备(2.3)的特征在于包括：
计算装置(3.21)，用于根据所述客户端的至少一个参数来估计所述至少一个客户端的输入缓冲器的填充率，所述至少一个参数是以下参数中的至少一个：
-与所述内容分发网络相连的所述至少一个客户端的输入缓冲器的大小，
-在所述至少一个客户端接收到数据流时在触发解码之前存储的数据量，
-所述至少一个客户端用于清空所述输入缓冲器的恢复比特率，
以及用于在所估计的所述客户端的输入缓冲器的填充率在阈值以下时向客户端发送内容置换序列的装置。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括用于实时内容序置换序列的存储装置。
3.根据权利要求1和2之一所述的设备，适用于在客户端的输入缓冲器的填充率的估计在第二阈值以上时暂时存储针对该客户端的数据分组。
4.根据权利要求1和2之一所述的设备，适用于在客户端的填充率的估计在第三阈值以下时发送警报消息。
5.根据权利要求1和2之一所述的设备，适用于在客户端的填充率的估计在第四阈值以上时发送警报消息。
6.根据权利要求1和2之一所述的设备，其特征在于，所述设备是数字用户线路访问多路复用器(DSLAM)类型的。
7.一种用于通过监视设备来估计以数字数据流的形式发送的内容的解码设备的输入缓冲器的填充率的方法，所述监视设备能够通过分组交换与内容分发网络相连，所述解码设备是客户端，所述监视设备具有用于在所述内容分发网络与连接到所述内容分发网络的所述客户端之间传送数据分组的装置，用于传送数据分组的所述装置在客户端与内容分发网络之间传送数据分组，所述方法的特征在于至少包括以下步骤：
-根据输入缓冲器的大小、在触发解码之前所存储的数据量以及针对至少一个客户端的通过所述监视设备所传送的数据分组，计算所述至少一个客户端的输入缓冲器的填充率的估计；以及
-在所估计的客户端的输入缓冲器的填充率在阈值以下时，向所述客户端发送内容置换序列。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，以定期的方式执行对填充率的估计的计算。
9.根据权利要求7和8之一所述的方法，其中，每次向客户端发送数据分组时，执行对填充率的估计的计算。
10.根据权利要求7和8之一所述的方法，还包括用于暂时存储针对输入缓冲器的填充率的估计在第二阈值以上的客户端的数据分组的步骤。
11.根据权利要求7和8之一所述的方法，还包括在填充率的估计在第三阈值以下时发送警报消息的步骤。
12.根据权利要求7和8之一所述的方法，还包括在客户端的填充率的估计在第四阈值以上时发送警报消息的步骤。
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